鋰電池保護(hù)板工作原理

作者：深圳邁烽電子科技有限公司

第一章 保護(hù)板的構(gòu)成和主要作用

本文主要介紹鋰電池保護(hù)板的構(gòu)成，電池保護(hù)板的主要作用，工作原理。以及生產(chǎn)的單節(jié)鋰電池保護(hù)線路的應(yīng)用范圍，電性能參數(shù)，主要材料，尺寸規(guī)格，等項(xiàng)目的相關(guān)內(nèi)容。本規(guī)格書所描述的所有項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)可作為品質(zhì)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及依據(jù)。

2 產(chǎn)品應(yīng)用范圍

（1）液態(tài)鋰離子可充電電池；

（2）聚合物鋰離子可充電電池。

一、保護(hù)板的構(gòu)成

鋰電池（可充型）之所以需要保護(hù)，是由它本身特性決定的。由于鋰電池本身的材料決定了它不能被過充、過放、過流、短路及超高溫充放電，因此鋰電池鋰電組件總會(huì)跟著一塊精致的保護(hù)板和一片電流保險(xiǎn)器出現(xiàn)。鋰電池的保護(hù)功能通常由保護(hù)電路板和PT協(xié)同完成，保護(hù)板是由電子電路組成，在-40℃至+85℃的環(huán)境下時(shí)刻準(zhǔn)確的監(jiān)視電芯的電壓和充放回路的電流，即時(shí)控制電流回路的通斷；PTC在高溫環(huán)境下防止電池發(fā)生惡劣的損壞。

保護(hù)板通常包括控制IC、MOS開關(guān)、電阻、電容及輔助器件NTC、ID存儲(chǔ)器等。其中控制IC，在一切正常的情況下控制MOS開關(guān)導(dǎo)通，使電芯與外電路溝通，而當(dāng)電芯電壓或回路電流超過規(guī)定值時(shí)，它立刻（數(shù)十毫秒）控制MOS開關(guān)關(guān)斷，保護(hù)電芯的安全。NTC是Negative temperature coefficient的縮寫，意即負(fù)溫度系數(shù)，在環(huán)境溫度升高時(shí)，其阻值降低，使用電設(shè)備或充電設(shè)備及時(shí)反應(yīng)、控制內(nèi)部中斷而停止充放電。ID 存儲(chǔ)器常為單線接口存儲(chǔ)器，ID是Identification 的縮寫即身份識別的意思，存儲(chǔ)電池種類、生產(chǎn)日期等信息?？善鸬疆a(chǎn)品的可追溯和應(yīng)用的限制。

二、保護(hù)板的主要作用

一般要求在-25℃～85℃時(shí)Control(IC)檢測控制電芯電壓與充放電回路的工作電流、電壓，在一切正常情況下C-MOS開關(guān)管導(dǎo)通，使電芯與保護(hù)電路板處于正常工作狀態(tài)，而當(dāng)電芯電壓或回路中的工作電流超過控制IC中比較電路預(yù)設(shè)值時(shí)，在15～30ms內(nèi)（不同控制IC與C-MOS有不同的響應(yīng)時(shí)間），將CMOS關(guān)斷，即關(guān)閉電芯放電或充電回路，以保證使用者與電芯的安全。

第二章 保護(hù)板的工作原理

保護(hù)板的工作原理圖：

如圖中，IC由電芯供電，電壓在2v－5v均能保證可靠工作。

1、過充保護(hù)及過充保護(hù)恢復(fù)

當(dāng)電池被充電使電壓超過設(shè)定值VC(4.25-4.35V，具體過充保護(hù)電壓取決于IC)后，VD1翻轉(zhuǎn)使Cout變?yōu)榈碗娖?，T1截止，充電停止.當(dāng)電池電壓回落至VCR(3.8-4.1V，具體過充保護(hù)恢復(fù)電壓取決于IC)時(shí)，Cout變?yōu)楦唠娖?，T1導(dǎo)通充電繼續(xù)， VCR必須小于VC一個(gè)定值，以防止頻繁跳變。

2、過放保護(hù)及過放保護(hù)恢復(fù)

當(dāng)電池電壓因放電而降低至設(shè)定值VD（2.3-2.5V，具體過充保護(hù)電壓取決于IC）時(shí)， VD2翻轉(zhuǎn)，以短時(shí)間延時(shí)后，使Dout變?yōu)榈碗娖?，T2截止，放電停止，當(dāng)電池被置于充電時(shí)，內(nèi)部或門被翻轉(zhuǎn)而使T2再次導(dǎo)通為下次放電作好準(zhǔn)備。

3、過流、短路保護(hù)

當(dāng)電路充放回路電流超過設(shè)定值或被短路時(shí)，短路檢測電路動(dòng)作，使MOS管關(guān)斷，電流截止。

第三章 保護(hù)板主要零件的功能介紹

R1：基準(zhǔn)供電電阻；與IC內(nèi)部電阻構(gòu)成分壓電路，控制內(nèi)部過充、過放電壓比較器的電平翻轉(zhuǎn)；一般在阻值為330Ω、470Ω比較多；當(dāng)封裝形式（即用標(biāo)準(zhǔn)元件的長和寬來表示元件大小，如0402封裝標(biāo)識此元件的長和寬分別為1.0mm和0.5mm）較大時(shí)，會(huì)用數(shù)字標(biāo)識其阻值，如貼片電阻上數(shù)字標(biāo)識473， 即表示其阻值為47000Ω即47KΩ（第三位數(shù)表示在前兩位后面加0的位數(shù)）。R2：過流、短路檢測電阻；通過檢測VM端電壓控制保護(hù)板的電流 ，焊接不良、損壞會(huì)造成電池過流 、短路無保護(hù)，一般阻值為1KΩ、2KΩ較多。R3：ID識別電阻或NTC電阻（前面有介紹）或兩者都有。總結(jié)：電阻在保護(hù)板中為黑色貼片，用萬用表可測其阻值，當(dāng)封裝較大時(shí)其阻值會(huì)用數(shù)字表示，表示方法如上所述，當(dāng)然電阻阻值一般都有偏差，每個(gè)電阻都有精度規(guī)格，如10KΩ電阻規(guī)格為+/－5％精度則其阻值為9.5KΩ －10.5KΩ范圍內(nèi)都為合格。C1、C2：由于電容兩端電壓不能突變，起瞬間穩(wěn)壓和濾波作用。

總結(jié)：電容在保護(hù)板中為黃色貼片，封裝形式0402較多，也有少數(shù)0603封裝(1.6mm長,0.8mm寬)；用萬用表檢測其阻值一般為無窮大或MΩ級別；電容漏電會(huì)產(chǎn)生自耗電大，短路無自恢復(fù)現(xiàn)象。FUSE：普通FUSE或PTC（Positive Temperature Coefficient的縮寫，意思是正溫度系數(shù)）；防止不安全大電流和高溫放電的發(fā)生，其中PTC有自恢復(fù)功能。

總結(jié)：FUSE在保護(hù)板中一般為白色貼片，LITTE公司提供FUSE會(huì)在FUSE上標(biāo)識字符D-T，字符表示意思為FUSE能承受的額定電流，如表示D額定電流為0.25A，S為4A，T為5A等；現(xiàn)我司所有較多為額定電流為5A的FUSE，即在本體上標(biāo)識字符’T’。

U1：控制IC；保護(hù)板所有功能都是IC通過監(jiān)視連接在VDD-VSS間的電壓差及VM-VSS間的電壓差而控制C-MOS執(zhí)行開關(guān)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)的。

Cout：過充控制端；通過MOS管T2柵極電壓控制MOS管的開關(guān)。

Dout：過放、過流、短路控制端；通過MOS管T1柵極電壓控制MOS管的開關(guān)。

VM：過流、短路保護(hù)電壓檢測端；通過檢測VM端的電壓實(shí)現(xiàn)電路的過流、短路保護(hù)（U（VM）=I*R（MOSFET））。

總結(jié)：IC在保護(hù)板中一般為6個(gè)管腳的封裝形式，其區(qū)別管腳的方法為：在封裝體上標(biāo)識黑點(diǎn)的附近為第1管腳，然后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)分別為第2、3、4、5、6管腳；如封裝體上無黑點(diǎn)標(biāo)識，則正看封裝體上字符左下為第1管腳，其余管腳逆時(shí)針類推）C-MOS：場效應(yīng)開關(guān)管；保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)者 ；連焊、虛焊、假焊、擊穿時(shí)會(huì)造成電池?zé)o保護(hù)、無顯示、輸出電壓低等不良現(xiàn)象。總結(jié)：CMOS在保護(hù)板中

一般為8個(gè)管腳的封裝形式，它時(shí)由兩個(gè)MOS管構(gòu)成，相當(dāng)于兩個(gè)開關(guān)，分別控制過充保護(hù)和過放、過流、短路保護(hù)；其管腳區(qū)分方法和IC一樣。

在保護(hù)板正常情況下，Vdd為高電平，Vss、VM為低電平，Dout、Cout為高電平；當(dāng)Vdd、Vss、VM任何一項(xiàng)參數(shù)變換時(shí)，Dout或Cout的電平將發(fā)生變化，此時(shí)MOSFET執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作（開、關(guān)電路），從而實(shí)現(xiàn)電路的保護(hù)和恢復(fù)功能。

第四章 保護(hù)板主要性能測試方法

1．NTC電阻測試：

用萬用表直接測量NTC電阻值，再與《溫度變化與NTC阻值對照指導(dǎo)》對比。

2．識別電阻測試：

用萬用表直接測量識別電阻值，再與《保護(hù)板重要項(xiàng)目管理表》對比。

3.自耗電測試：

調(diào)恒流源為3.7V/500mA；萬用表設(shè)置為uA檔，表筆插入uA接孔，然后與恒流源串聯(lián)起來接保護(hù)板B+、B-如下圖所示：此時(shí)萬用表的讀數(shù)即為保護(hù)板的自耗電，如無讀數(shù)用鑷子或錫線短接B-、P-，

激活電路。

4.短路保護(hù)測試：

電芯接到保護(hù)板B+、B-上，用鑷子或錫線短接B-、P-，再短接P+、P-；短路后用萬用表測保護(hù)板開

路電壓（如下圖所示）；反復(fù)短接3-5次，此時(shí)萬用表讀數(shù)應(yīng)與電芯一致，保護(hù)板應(yīng)無冒煙、爆裂等現(xiàn)象。

如上圖所示接好電路，按照重要項(xiàng)目管理表設(shè)置好鋰易安數(shù)據(jù)，再按自動(dòng)按鈕，接好后按紅表筆上的按鈕進(jìn)行測試。此時(shí)鋰易安測試儀的燈應(yīng)逐次點(diǎn)亮，表示性能OK。按顯示鍵檢查測試數(shù)據(jù)：‘Chg’表示過充保護(hù)電壓；‘Dis’表過放保護(hù)電壓；‘Ocur’表示過流保護(hù)電流。

第五章 保護(hù)板常見不良分析

一、 無顯示、輸出電壓低、帶不起負(fù)載：

此類不良首先排除電芯不良（電芯本來無電壓或電壓低），如果電芯不良則應(yīng)測試保護(hù)板的自耗電，看是否是保護(hù)板自耗電過大導(dǎo)致電芯電壓低。如果電芯電壓正常，則是由于保護(hù)板整個(gè)回路不通（元器件虛焊、假焊、FUSE不良、PCB板內(nèi)部電路不通、過孔不通、MOS、IC損壞等）。具體分析

步驟如下：

（一）、用萬用表黑表筆接電芯負(fù)極，紅表筆依次接FUSE、R1電阻兩端，IC的Vdd、Dout、Cout端，P+端（假設(shè)電芯電壓為3.8V），逐段進(jìn)行分析，此幾個(gè)測試點(diǎn)都應(yīng)為3.8V。若不是，則此段電路有問題。

1. FUSE兩端電壓有變化：測試FUSE是否導(dǎo)通，若導(dǎo)通則是PCB板內(nèi)部電路不通；若不導(dǎo)通則FUSE

有問題（來料不良、過流損壞（MOS或IC控制失效）、材質(zhì)有問題（在MOS或IC動(dòng)作之前FUSE被燒壞），然后用導(dǎo)線短接FUSE，繼續(xù)往后分析。

2. R1電阻兩端電壓有變化：測試R1電阻值，若電阻值異常，則可能是虛焊，電阻本身斷裂。若電阻值無異常，則可能是IC內(nèi)部電阻出現(xiàn)問題。

3. IC測試端電壓有變化：Vdd端與R1電阻相連。Dout、Cout端異常,則是由于IC虛焊或損壞。

4. 若前面電壓都無變化，測試B-到P+間的電壓異常，則是由于保護(hù)板正極過孔不通。

（二）、萬用表紅表筆接電芯正極，激活MOS管后，黑表筆依次接MOS管2、3腳，6、7腳，P-端。

1.MOS管2、3腳，6、7腳電壓有變化,則表示MOS管異常。

2.若MOS管電壓無變化，P-端電壓異常，則是由于保護(hù)板負(fù)極過孔不通。

二、 短路無保護(hù)：

1. VM端電阻出現(xiàn)問題：可用萬用表一表筆接IC2腳，一表筆接與VM端電阻相連的MOS管管腳，確認(rèn)

其電阻值大小?？措娮枧cIC、MOS管腳有無虛焊。

2. IC、MOS異常：由于過放保護(hù)與過流、短路保護(hù)共用一個(gè)MOS管，若短路異常是由于MOS出現(xiàn)問題，則此板應(yīng)無過放保護(hù)功能。

3. 以上為正常狀況下的不良，也可能出現(xiàn)IC與MOS配置不良引起的短路異常。如前期出現(xiàn)的BK-901，其型號為‘312D’的IC內(nèi)延遲時(shí)間過長，導(dǎo)致在IC作出相應(yīng)動(dòng)作控制之前MOS或其它元器件已被損壞。

注：其中確定IC或MOS是否發(fā)生異常最簡易、直接的方法就是對有懷疑的元器件進(jìn)行更換。

三、 短路保護(hù)無自恢復(fù)：

1. 設(shè)計(jì)時(shí)所用IC本來沒有自恢復(fù)功能,如G2J，G2Z等。

2. 儀器設(shè)置短路恢復(fù)時(shí)間過短，或短路測試時(shí)未將負(fù)載移開，如用萬用表電壓檔進(jìn)行短路表筆短接后未將表筆從測試端移開（萬用表相當(dāng)于一個(gè)幾兆的負(fù)載）。

3. P+、P-間漏電，如焊盤之間存在帶雜質(zhì)的松香，帶雜質(zhì)的黃膠或P+、P-間電容被擊穿,IC Vdd到Vss間被擊穿.（阻值只有幾K到幾百K）.

4. 如果以上都沒問題，可能IC被擊穿，可測試IC各管腳之間阻值。

四、 內(nèi)阻大：

1. 由于MOS內(nèi)阻相對比較穩(wěn)定，出現(xiàn)內(nèi)阻大情況，首先懷疑的應(yīng)該是FUSE或PTC這些內(nèi)阻相對比較容易發(fā)生變化的元器件。

2. 如果FUSE或PTC阻值正常，則視保護(hù)板結(jié)構(gòu)檢測P+、P-焊盤與元器件面之間的過孔阻值，可能過孔出現(xiàn)微斷現(xiàn)象，阻值較大。

3. 如果以上多沒有問題，就要懷疑MOS是否出現(xiàn)異常：首先確定焊接有沒有問題；其次看板的厚度（是否容易彎折），因?yàn)閺澱蹠r(shí)可能導(dǎo)致管腳焊接處異常；再將MOS管放到顯微鏡下觀測是否破裂；最后用萬用表測試MOS管腳阻值，看是否被擊穿。

五、 ID異常：

1. ID電阻本身由于虛焊、斷裂或因電阻材質(zhì)不過關(guān)而出現(xiàn)異常：可重新焊接電阻兩端，若重焊后ID正常則是電阻虛焊，若斷裂則電阻會(huì)在重焊后從中裂開。

2. ID過孔不導(dǎo)通：可用萬用表測試過孔兩端。

3. 內(nèi)部線路出現(xiàn)問題：可刮開阻焊漆看內(nèi)部電路有無斷開、短路現(xiàn)象。

作者：深圳邁烽電子科技有限公司